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滑坡泥石流地质灾害野外监测预警系统

文章编号：

１００１—９９４４（２０１４）０６－００１７－０５

滑坡泥石流地质灾害野外监测预警系统

谭承君，罗

群，曾国强，葛良全，刘玺尧

（成都理工大学核技术与自动化工程学院，成都６１００５１）

摘要：

针对我国地质灾害频发的现象．该文讲述了一种基于传感网与多网络融合技术的地质灾害监测预警系统的设计。

该系统以基于Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ３内核的微控制器ＳＴＭ３２为核心，多

通道信号调理电路为数据采集单元，采用电台、Ｚｉｇｂｅｅ和直接连线等方式组建本地监测网，

将多种传感器（雨量计、地表裂缝位移计、孔隙水压力计、土壤含水率计、地下水位计等）的数据采集、处理后通过ＧＰＫＳ网络和北斗卫星传回服务器。

实际应用显示，本系统具有功耗低、稳定好等特点，能适应野外恶劣的环境，满足监测需要。

关键词：

滑坡；地质灾害传感器；传感网；信号调理电路；实时自动监测中图分类号：

ＴＨ７６２

文献标志码：

Ａ

Ｆｉｅｌｄ

Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ

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（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＮｕｃｌｅａｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｅｎｇｄｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００５１，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：

Ｔｈｉｓｅｓｓａｙ，ａｉｍｅｄａｔｔｈｅｄｉｓａｓｔｅｒ－ｐｍｎｅｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｉｎＣｈｉｎａ，ｇｉｖｅｓｔｈｅｄｅｓｉｇｎｓｏｆｔｈｅｇｅｅｌｏｇｉｃＭ

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：

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ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔ；ｒｅａｌ—ｔｉｍｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ

中国是世界上地质灾害最严重、受威胁人口最多的国家之一，地质条件复杂，构造活动频繁，滑坡、泥石流、地裂缝等灾害隐患多、分布广，且隐蔽性和破坏性强。

防范难度大。

特别是近年来受极端天气、地震、工程建设等影响，地质灾害多发频发，给人民生命财产造成严重损失【”。

因此，地质环境监

测、地质灾害预警显得尤为重要。

结合地质灾害的实际，本文针对滑坡泥石流地质灾害设计了一套基于传感网与多网络融合技术的监测系统。

１

地质灾害区域预警的基本原理

滑坡监测主要采取土壤含水率、地下水位、土

收稿Ｅｌ期：

２０１４－０１—１４：

修订日期：

２０１４—０１—２４

基金项目：

国家高技术研究发展计划（８６３）项目（２０１２ＡＡ０６１８０３）；２０１３年四川省大学生创新创业训练计划项目（２０１３１０６１６０３４）作者简介：

谭承君（１９８８一），男，在读硕士研究生，研究方向为核信号获取与处理；曾国强（１９８０一），男，博士，副教授，研究

方向为核测控技术与仪器。

自动化与仪表２０１４（６）

１７

壤孑Ｌ隙水压力、多路地表位移、雨量等监测以及视频监测ｆ２】。

降水渗入滑坡体内，引起滑坡体内含水率增大或水位升高。

当滑带处土壤的含水率增大并趋向饱和时，土壤的粘聚力和摩擦阻力均会减小，从而降低滑带土的抗剪强度，引致滑坡。

通过土壤含水率计与孔隙水压计可实时获取滑坡体土壤含水率的变化曲线：

通过雨量计可获取该区域的雨量实时数据曲线：

通过地下水位计可获取该滑坡体地下水位的变化。

由于地表位移的变化滞后于土壤含水率变化。

土壤含水率滞后于地下水位，地下水位则滞后于降雨量，因此可以根据四者的时间滞后特性，实现提前预测滑坡变形。

２系统通信组网总拓扑图

滑坡面的监测包括土壤含水率、地下水位、土壤孑Ｌ隙水压力、地表位移、雨量等监测【３】．分布在整个滑坡面上．由于滑坡面较大，如果所有的传感器均采用有线方式连接到主板上会引起施工繁琐、成本高等问题。

因此一个滑坡面的监测采用主机与从机结合的方式组建本地监测网（后文将主机和从机统称为监测站），主机建立在传感器相对集中的地方，从机建立在传感器离主机比较远的位置，主机与从机之间采用无线通信，将整个滑坡面传感器的数据全部采集传输到主机上。

主机与服务器之间的通信采用ＧＰＲＳ或北斗卫星进行［４１。

系统总体拓扑图如图１所示。

主机

从机，’

Ｕ壶

地含下水水率位监监测

测

菱蠢差墨

监

水

铡

压测

量从

图１

系统总体拓扑图

Ｆｉｇ．１

ＤｅｓｉｇｎＴｏｐｏｌｏｇｙ

ｏｆｔｈｅ

ｓｙｓｔｅｍ

根据实际应用要求．主机有与从机之间采用

１８

Ｚｉｇｂｅｅ和数传电台进行通信。

Ｚｉｇｂｅｅ是一种高可靠的无线传输网络，处于免执照的２．４ＧＨｚ频段，具有自组网、低功耗等特点，可工作在路由节点模式、中心节点模式、终端节点模式［５１。

无线数传电台是具有前向纠错、均衡软判决等功能的无线通信方式，具有绕射能力强、通信距离远等特点，适合点多而分散、地理环境复杂等场合。

系统中，如果滑坡面的环境较简单，则选用Ｚｉｇｂｅｅ模块；如果环境复杂、通信距离较远，则选用数传电台。

ＧＰＲＳ是基于地面基站和信号发射塔的无线通信，具有传输速率高、实时性强、成本低等特点。

北斗卫星通信是基于地面基站和通信卫星的空地结合无线通信网络，具有通信距离远、覆盖区域广等

特点。

系统主站在一般情况下通过ＧＰＲＳ网络实现与服务器的数据传输．而在ＧＰＲＳ网络不能满足实时性的情况下利用北斗系统形成互补。

３野外监测站系统设计

系统采用太阳能电池板对铅酸蓄电池充电的方式给系统供电，同时兼容市电｛６１。

为适应野外监测点供电不足的缺点，系统设计了电源管理模块．在传感器和电路需要工作时才打开电源，其他时间电路均处于休眠状态，以实现低功耗。

监测站的主要功能之一是将各种传感器的数据采集后传输回服务器，因此野外监测站主板应该主要包括传感器信号采集电路以及无线通信电路。

其总体设计框图如图２所示。

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ＧＰＲ眦斗卜微控■鬻纛警瓣

电源制器

管ｚｉｇｂｅｅ／电台卜

ＳＴＭ３２

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图２监测点主板设计框图

Ｆｉｇ．２

Ｄｅｓｉｇｎｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｐｏｉｎｔｍａｉｎｂｏａｒｄ

图２中，系统所使用的传感器．其输出信号主要有４～２０ｍＡ（地下水位计、土壤含水率计）、电阻信号（地表位移计）、振弦信号（孔隙水压力计、土压力

计等）、地声信号（地声传感器）、微震信号（微震传感器）等。

根据不同的输出信号，系统信号调理板设计了不同的电路对其进行处理。

Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ＆Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ

２０１４（０３

地表裂缝监测

¨凹孔隙水压监溅

凹地下水位监测

一地声监测

凹地下水位监测

３．１

多通道４～２０ｍＡ信号调理电路

图３中显示了一种四通道的４～２０ｍＡ信号调

理电路。

其中Ｐｌ插座的１—４接１３（对应第１、２、３、４通道）为传感器的供电电源接１：

３，５接口为传感器地线接１：

３，６接１３为传感器信号接口。

本电路可同时兼容两线制和三线制的４～２０ｍＡ传感器，系统通过控制每个传感器的电源实现多通道数据采集。

如果需要采集１通道传感器的数据，则ＭＣＵ给控制数据ＯＸ０１输入移位寄存器Ｕ２，使ＱＡ输出高电平，其余输出低电平．那么第一个光耦将导通，其他的截止，使ｌ通道传感器上电．其他传感器关闭供电，１通道

传感器上电后的输出信号经ＡＤＣ采样即可完成ｌ通道传感器的数据采集。

实际应用中，传感器均深埋于地下，雷雨天气时传感器的传输线缆上会耦合出感应雷，如果传感器的接口不做防护那么接口电路很容易被感应雷烧坏。

图３中，首先采用瞬态抑制二极管（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５）作为端１３保护，同时采用光耦（Ｕ１）隔离，以提高系统可靠性。

另外，由于光耦Ｕ１的最大输出电流约５０ｍＡ。

因此在后级添加一个三极管（Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４）与光耦内部的三极管一起构成达林顿输出，提高带负载能力。

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图３多通道４～２０ｍＡ传感器信号调理电路

Ｆｉｇ．３

Ｓｉｇｎａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ

ｃｉｒｃｕｉｔｏｆ

ｍｕｌｔｉ—ｃｈａｎｎｅｌ

４—２０ｍＡｓｅｎｓｏｒ

３．２

电阻位移计信号调理电路

系统中，地表裂缝位移计的输出信号是电阻信

号．通过测量其电阻值从而得到地表位移值。

对于电阻的测量，一般是采用给电阻施加恒定电流然后测量电阻两端产生的电压从而间接地求得电阻值的方法进行。

实际应用中，信号传输线缆较长，必须要考虑传输线缆上的电阻对测量结果的影响。

本系统地表裂缝位移计信号调理电路如图４所示，图中采用四线制接法，消除了传输电缆上的电阻对传感器电阻测量的影响。

图中ＶＲＥＦ为２．５Ｖ的基准源，运放Ｕ４Ａ与电阻Ｒ１６构成恒流源．运放Ｕ４Ｂ构成差分信号放大电路．采集电流在传感器电阻上形成的电压信号。

Ｐ２插座的ｌ、２接口均接在位移传感器电阻的同一端（结头尽量靠近传感器）；Ｐ２插座的３、４接ＩＳｌ均接在位移传感器电阻的另一端（结头尽量靠近传感器）。

恒流源产生的电流依次过１、４接口，在传感器的电阻上产生电压信号，２、３接１３将产生的电压信号传输回来通过运算放大器Ｕ４Ｂ做差分放大。

电阻

自动化ｓ仪表２０１４（６）

图４位移传感器信号条理电路

Ｆｉｇ．４

Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓｅｎｓｏｒｓｉｇｎａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ

ｃｉｒｃｕｉｔ

Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１４、Ｒ１８可以选取较大的值，故在接１３２、３上流过的电流很小，可以减小传统两线制接法带来的误差。

另外，图中也加入了防雷器件并隔离，以保证系统在野外恶劣的环境中也能长期稳定的工作。

１９

４数据采集软件

在现场安装传感器和野外监测设备的基础上，采用ＶｉｓｕａｌＣ＋＋为开发平台，以ＳＱＬＳｅｒｖｅｒ２００５为后台数据库，自主开发了滑坡泥石流地质灾害综合监测预警系统。

该系统采用ＧＰＲＳ网络、北斗卫星与野外监测系统建立通讯，实现了数据的远程实时接收的存储。

在此基础上通过ＡＤＯ连接数据库，实现数据查询、图形可视化等功能。

通过建立滑坡泥石流地质灾害综合监测预警系统的预测模型库，实现了变形数据处理和预测分析等功能。

图５给出了系统的数据显示界面。

图５监测数据展示界面

Ｆｉｇ．５

Ｉｎｑｕｉｒｉｎｇ

ｉｎｔｅｒｆａｃｅｏｆ

ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｄａｔａ

５

工程实例

根据《四川Ｉ省绵竹

市地质灾害调查与区划报告》，绵竹市内共有地质灾害隐患约１０８处，威胁人数５８１５人，潜在经济损失达５．４６亿元门。

其中白房子滑坡群地势陡峻，沟谷切割较深。

经现场调查，该滑坡规模达１．８×

１０７

ｍ３．属大型滑坡。

故在此建立远程监测设备．如图６所示，图中显示的是系统野外监测主机．主机上的声

２０

图６野外监测系统

Ｆｉｇ．６

Ｆｉｅｌｄ

ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ

ｓｙｓｔｅｍ

光报警和喇叭是用来发布预警信息的。

若数据异

常．服务器立即向主机发送命令启动声光报警发布预警信息，同时向监测点负责人发送预警短信。

负责人收到预警短信后可通过手机拨打主机内部ＧＰＲＳ模块上的号码，通过远程喊话将自己的声音通过喇叭传递出去实现预警，组织居民安全撤离。

系统在此安装３台地表裂缝位移计，１台孔隙水压力计，３台土壤含水率计，１台地下水位计，１台雨量计，２台微震传感器监测各项地质参数。

地表位移计应安装在地表已出现裂缝或有可能出现裂缝的地方．同时在传感器拉线外套ＰＶＣ管．中间添加支撑柱形成‘‘Ｔ”型结构以减小环境因素（如刮风、降雨）对测量的影响（如图７（左））。

土壤含水率计的安装是将传感器放在事先挖好的坑里。

然后用水稀释泥土形成泥浆包裹传感器．一段时间水干以后，传感器将与土壤紧密结合从而提高测量精度（如图７（右））。

孔隙水压力计安装时应当首先向钻孑Ｌ内注入湿砂，使砂子在孑Ｌ底形成砂垫层，然后放人孔隙水压力计，继续注入湿砂，使传感器完全被湿砂包裹，最后回填原土．埋实。

图７位移计（左）含水率计（右）的安装

Ｆｉｇ．７

Ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ

ｍｅｔｈｏｄｏｆｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｍｅｔｅｒ

（１ｅｆｔ）ａｎｄｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｍｅｔｅｒ（ｒｉｇｈｔ）

另外。

在绵竹市国土局建立远程数据监控中心，实时监测地质体内各项参数的变化情况。

监测数据显示，２０１２年７月２６日，该地区发生了强降雨，日降雨量达８７．５ｍｍ（如图８），土壤含水率、地下水位、孔隙水压力监测数据明显升高（如图９、１０），但地表位移在２３７．８５～２３８．２０ｍｍ之间，变化幅度为

０．３５

ｍｍ，在可接受的范围内（如图１１）；同时微震信号也很微弱。

由此可见。

该滑坡群的截水沟和内部的排水孔

可以有效的排水．防止雨水下渗软化滑坡体，对疏干滑坡体保持其稳定起到了重要作用。

当然，在更

大的降雨情况下该滑坡群的稳定性还需要进一步的监测。

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时间／（ｈ）

图８绵竹市白房子监测雨量直方图

Ｆｉｇ．８

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ｈｉｓｔｏｇｒａｍｏｆ

Ｗｈｉｔｅ

Ｈｏｕｓｅ

时间／（ｈ）

图９绵竹市白房子监测地下水位趋势图

Ｆｉｇ．９

ＧｒｏｕｎｄｗａｔｅｒｌｅｖｅｌｔｒｅｎｄｇｒａｐｈｏｆＷｈｉｔｅＨｏｕｓｅ

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时间，（ｈ）

图１０绵竹市白房子监测孔隙水压力趋势图

Ｆｉｇ．１０

ＰｏｒｅｗａｔｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅｔｒｅｎｄｇｒａｐｈｏｆＷｈｉｔｅＨｏｕｓｅ

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图１１

绵竹市白房子监测地表位移趋势图

Ｆｉｇ．１１

ＳｕｒｆａｃｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｔｒｅｎｄｇｒａｐｈｏｆＷｈｉｔｅＨｏｕｓｅ

自动亿与仪表２０１４（６）

６结语

本文采用Ｚｉｇｂｅｅ和无线电台组建本地监测网，以ＧＰＲＳ和北斗卫星作为无线传输单元，通过太阳能电池板给系统供电，设计了节能、高效、稳定的滑坡硬件监测系统。

同时，系统采用ＶｉｓｕａｌＣ＋＋编程

技术，以ＳＱＬ

Ｓｅｒｖｅｒ

２００５为后台数据库，开发了滑

坡地质灾害远程监测预报系统．实现了对监测数据的远程实时接收和可视化管理分析．为管理部门及时了解滑坡现场的监测结果和快速决策提供了平台。

在四川绵竹市、南部县、雅安市等地区运行的监测系统表明：

滑坡地质灾害远程监测系统具有实时性、稳定性、无人值守和低功耗等特点。

参考文献：

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吲，２０１１．

【２］王国民，黄俊宝．闽东南地区台风暴雨型地质灾害变形监测分析

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１７－２４．【３】３

Ｈａｒｔ

Ｊｉｎｌｉａｎｇ，Ｗｕ

Ｓｈｕｒｅｎ，Ｗａｎｇ

Ｈｕａｂｉｎ．Ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙｓｔｕｄｙ

ｏｎ

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ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ

ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ

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ｏｎ

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■

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滑坡泥石流地质灾害野外监测预警系统作者：

作者单位：

刊名：

英文刊名：

年，卷（期：

谭承君，罗群，曾国强，葛良全，刘玺尧，TANCheng-jun，LUOQun，ZENGGuo-qiang，GELiang-quan，LIUXi-yao成都理工大学核技术与自动化工程学院,成都,610051自动化与仪表Automation&Instrumentation2014,29（6参考文献（7条1.国务院关于加强地质灾害防治工作的决定（国发[2011]20号20112.王国民;黄俊宝闽东南地区台风暴雨型地质灾害变形监测分析2010（增刊3.HanJinliang;WuShuren;WangHuabinPreliminarystudyongeologicalhazardchains2007（064.张志龙;华克强;孙淑光北斗导航系统与GPS组合在民航中的应用2005（075.WuLing;WuWendiThegeologicalinformationcollectionsystemdesignbasedonwirelesssensornetwork20116.苗凤东;周蓉生滑坡实时监测报警系统电源设计2007（027.四川省地质工程集团公司四川省绵竹市地质灾害调查与区划报告2006引用本文格式：

谭承君.罗群.曾国强.葛良全.刘玺尧.TANCheng-jun.LUOQun.ZENGGuo-qiang.GELiang-quan.LIUXi-yao滑坡泥石流地质灾害野外监测预警系统[期刊论文]-自动化与仪表2014（6